Международная команда ученых, включая исследователей из Южного федерального университета (ЮФУ), разработала инновационный, более доступный материал, способный эффективно превращать воду в водородное топливо. Результаты этого прорывного исследования были опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications.
Иллюстрация: Капля воды
Водород признан одним из наиболее перспективных и экологически чистых источников энергии. Его получение основано на процессе электролиза воды, который разделяет молекулы воды на водород и кислород под воздействием электрического тока. Для повышения скорости и эффективности этой реакции необходимы специальные вещества, известные как катализаторы.
В настоящее время, как пояснил доцент Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ Михаил Солдатов, в качестве катализатора для реакции выделения кислорода обычно используется иридий (Ir). Однако иридий — это редкоземельный элемент, его добыча и обработка являются дорогостоящими и энергоемкими процессами.
В ответ на эти вызовы, ученые ЮФУ совместно с китайскими коллегами предложили заменить иридий на рутений. Рутений встречается в земной коре в 5–10 раз чаще и уже активно применяется в различных отраслях, таких как медицина, электроника и химическая промышленность. Для оптимизации свойств нового катализатора в его состав были добавлены небольшие количества других элементов.
«Представьте катализатор как магнит, который временно удерживает продукты реакции. Если магнит слишком сильный, промежуточные частицы слишком прочно `прилипают`, замедляя процесс. Если же он слишком слабый, частицы не удерживаются достаточно долго. Нам удалось найти `золотую середину`, тонко настроив полярность связи рутений-кислород (Ru–O) путем введения атомов редкоземельных металлов. Это позволило оптимизировать силу взаимодействия, обеспечив легкое и стабильное протекание реакции выделения кислорода», — объяснил Солдатов.
Применение этого нового материала обещает значительное снижение энергозатрат при производстве водородного топлива из воды. Кроме того, он поможет уменьшить износ оборудования и предотвратить чрезмерный нагрев элементов установки, способствуя более стабильному и эффективному процессу получения кислорода.
«Данный катализатор уменьшает перенапряжение для реакции выделения кислорода на десятки милливольт, что имеет решающее значение для водородной энергетики, где каждый милливольт важен. Показатель перенапряжения в 214 мВ превосходит большинство существующих катализаторов на основе оксида рутения, которые, к тому же, менее активны и стабильны», — подчеркнул Солдатов.
В ближайших планах исследовательская группа университета намерена сосредоточиться на разработке катализаторов для других важных технологических процессов будущего.
Это исследование получило поддержку от Российского научного фонда (Проект № 24-43-00215) и соответствует целям Фронтирной лаборатории «Рентгеноспектральной нанометрологии» МИИ ИМ ЮФУ. Лаборатория была создана в рамках стратегического проекта ЮФУ «Технологии полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов под управлением искусственного интеллекта» в рамках программы «Приоритет-2030» ЮФУ (национальный проект «Молодежь и дети»).
